 |
خنک‌کننده همرفت تخته‌های مدار – همرفت طبیعی سه بعدی
معرفی
این مثال خنک کننده هوای برد مدارهای پر از مدارهای مجتمع چندگانه (IC) را که به عنوان منابع گرما عمل می کنند، مدل می کند. دو سناریو خنک کننده ممکن در شکل 1 نشان داده شده است : تخته های تراز عمودی با استفاده از همرفت طبیعی، و تخته های افقی با جابجایی اجباری (خنک کننده فن). در این مورد، کمک های ناشی از جریان القایی (اجباری) هوا بر خنک کننده غالب است. برای دستیابی به دقت بالا، شبیه‌سازی انتقال حرارت را در ترکیب با جریان سیال مدلسازی می‌کند.
شکل 1: بردهای مدار انباشته با چندین منبع حرارتی در خط. خط A نشان دهنده خط مرکزی ردیف IC ها و ناحیه بین خطوط AB روی تخته نشان دهنده تقارن است.
یک تکنیک رایج توصیف شار حرارتی همرفتی با ضریب مقاومت فیلم، h است . سپس حل معادلات انتقال حرارت ساده می شود. با این حال، این ساده سازی مستلزم آن است که ضریب به خوبی تعیین شود که برای بسیاری از سیستم ها و شرایط دشوار است.
یک راه جایگزین برای توصیف کامل انتقال حرارت همرفتی، مدلسازی انتقال حرارت در ترکیب با میدان جریان سیال است. سپس نتایج به طور دقیق انتقال حرارت و تغییرات دما را توصیف می کنند. از چنین شبیه سازی هایی می توان تخمین های دقیقی از ضرایب فیلم بدست آورد. چنین مدل هایی تا حدودی پیچیده تر هستند اما برای هندسه های غیر معمول و جریان های پیچیده مفید هستند. مثال زیر انتقال حرارت یک مجموعه تخته مدار را با استفاده از کوپلینگ چندفیزیکی از پیش تعریف شده انتقال حرارت مزدوج ماژول انتقال حرارت مدل می کند. سناریوی مدل شده بر اساس کار منتشر شده توسط A. Ortega ( مراجعه 1 ) است.
مواد تخته مدار FR4 ( مرجع 2 ) و سیلیکون به عنوان مواد جامد تشکیل دهنده سیستم برد مدار استفاده می شود. این مدل خواص هوا را به عنوان وابسته به دما در نظر می گیرد.
ابعاد هندسه اصلی عبارتند از:
• | تخته: طول (در جهت جریان) 130 میلی متر و ضخامت آن 2 میلی متر است |
• | آی سی ها: طول و عرض هر دو 20 میلی متر و ضخامت آن 2 میلی متر است |
• | فاصله بین تخته ها 10 میلی متر است |
تعریف مدل
این مثال خنک کننده همرفت طبیعی یک برد مدار عمودی را همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است شبیه سازی می کند . به دلیل تقارن، کافی است یک سلول واحد، از پشت تخته تا سمت پشتی بعدی، مدل سازی شود، که منطقه بین خطوط A و B را در شکل 1 پوشش می دهد . شکل 2 هندسه سه بعدی را نشان می دهد.
شکل 2: هندسه مدل شده.
این مدل از جفت چندفیزیکی از پیش تعریف‌شده انتقال حرارت مزدوج با یک مطالعه ثابت برای راه‌اندازی شبیه‌سازی استفاده می‌کند. نرخ گرما در واحد حجم 1.25 مگاوات بر متر مکعب است . به دلیل گرم شدن سیال، انحرافاتی در چگالی موضعی ρ در مقایسه با چگالی ورودی، ρ ref . این منجر به نیروی شناوری محلی می شود که با استفاده از ویژگی جاذبه در رابط جریان تک فاز تعریف می شود .
نتایج و بحث
توزیع دما در شکل 3 نشان داده شده است . افزایش دما در داغترین نقطه هر جزء محاسبه شده در این مدل سه بعدی تقریباً دو درجه بیشتر از مدل دو بعدی است ( برای توضیحات و نتایج مدل دوبعدی به خنک سازی همرفتی تخته های مدار – همرفت طبیعی دوبعدی مراجعه کنید ). علاوه بر این، تفاوت دما بین آی سی های مختلف در مدل سه بعدی کمتر است که افزایش دمای یکنواخت تری را در آی سی ها پیش بینی می کند. IC ها دمای کاری بین 50 کلوین تا 100 کلوین بالاتر از محیط دارند. این نتیجه در مقایسه با شبیه‌سازی دوبعدی به واقعیت نزدیک‌تر است، زیرا شکاف‌های افقی بین آی‌سی‌ها را نیز شامل می‌شود.
شکل 3: توزیع دما برای مدل سه بعدی
تفاوت در افزایش دما در امتداد ارتفاع تخته در درجه اول با الگوی جریان سیال توضیح داده شده است ( شکل 4 ). حداکثر سرعت سیال برای حالت سه بعدی کمی بیشتر از حالت دو بعدی است. مهمتر از آن، میدان جریان در حالت سه بعدی رفتار متفاوتی دارد. هنگام مقایسه بین مدل‌های دو بعدی و سه بعدی، می‌توان متوجه شد که میدان‌های سرعت در امتداد خط مرکزی منابع گرما تقریباً مشابه هستند. با این حال، یک اثر کانالی از شکاف های افقی وجود دارد.
شکل 4: توزیع میدان سرعت.
منابع
1. A. Ortega، “Air Cooling of Electronics: A Personal Perspective 1981-2001″، مطالب ارائه شده، IEEE SMITHERM Symposium، 2002.
2. سی بیلی، “مدلسازی اثر دما بر قابلیت اطمینان محصول”، Proc. نوزدهمین سمپوزیوم IEEE SMITHERM ، 2003.
مسیر کتابخانه برنامه: ماژول_انتقال_گرما/پاور_الکترونیک_و_خنک_کننده_الکترونیک/برد_مدار_nat_3d
دستورالعمل های مدل سازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی 
Model Wizard کلیک کنید .
Model Wizard کلیک کنید .مدل جادوگر
1 | در پنجره Model Wizard ، روی  3D کلیک کنید . |
2 | در درخت Select Physics ، Heat Transfer>Conjugate Heat Transfer>Liminar Flow را انتخاب کنید . |
3 | روی افزودن کلیک کنید . |
4 |  روی مطالعه کلیک کنید . |
5 | در درخت انتخاب مطالعه ، General Studies>Stationary را انتخاب کنید . |
6 |  روی Done کلیک کنید . |
تعاریف جهانی
پارامترهای 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Global Definitions روی Parameters 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای پارامترها ، بخش پارامترها را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام | اصطلاح | ارزش | شرح |
q_منبع | 1[W]/(20*20*2[mm^3]) | 1.25E6 W/m³ | توان گرمایش در واحد حجم |
T0 | 300[K] | 300 K | دمای هوای خارجی |
patm | 1[atm] | 1.0133E5 Pa | فشار هوا |
هندسه 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Geometry 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات هندسه ، بخش Units را پیدا کنید . |
3 | از لیست واحد طول ، میلی متر را انتخاب کنید . |
بلوک 1 (blk1)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Block کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Block ، قسمت Size and Shape را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Width عدد 15 را تایپ کنید . |
4 | در قسمت Depth text عدد 12 را تایپ کنید . |
5 | در قسمت متن ارتفاع ، 130 را تایپ کنید . |
6 | قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت متن y ، -10 را تایپ کنید . |
7 | برای گسترش بخش لایه ها کلیک کنید . زیربخش Layer position را پیدا کنید . چک باکس Front را انتخاب کنید . |
8 | تیک Bottom را پاک کنید . |
9 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام لایه | ضخامت (میلی متر) |
لایه 1 | 10 |
10 | در نوار ابزار Geometry ، روی  ساختن همه کلیک کنید . |
بلوک 2 (blk2)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Block کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Block ، قسمت Size and Shape را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Width عدد 10 را تایپ کنید . |
4 | در قسمت Depth text 2 را تایپ کنید . |
5 | در قسمت متن ارتفاع ، 20 را تایپ کنید . |
6 | قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت متن y ، -2 را تایپ کنید . |
7 | در قسمت متن z ، 10 را تایپ کنید . |
8 | در نوار ابزار Geometry ، روی  ساختن همه کلیک کنید . |
آرایه 1 (arr1)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Transforms کلیک کنید و Array را انتخاب کنید . |
2 | فقط شی blk2 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات آرایه ، بخش Size را پیدا کنید . |
4 | در قسمت متن z اندازه 4 را تایپ کنید . |
5 | قسمت Displacement را پیدا کنید . در قسمت متن z ، 30 را تایپ کنید . |
6 | در نوار ابزار Geometry ، روی  ساختن همه کلیک کنید . |
7 |  روی دکمه Wireframe Rendering در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
تعاریف
مدار مجتمع
1 | در نوار ابزار تعاریف ، روی  Explicit کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Explicit ، IC را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | فقط دامنه های 2-5 را انتخاب کنید. |
مواد را اضافه کنید
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material باز شود . |
2 | به پنجره Add Material بروید . |
3 | در درخت، Built-in>Air را انتخاب کنید . |
4 | روی Add to Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
5 | در درخت، Built-in>Silicon را انتخاب کنید . |
6 | روی Add to Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
7 | در درخت، Built-in>FR4 (Circuit Board) را انتخاب کنید . |
8 | روی Add to Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
9 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material بسته شود . |
مواد
آب (مت1)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)>Materials روی Air (mat1) کلیک کنید . |
2 | فقط دامنه 1 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای مواد ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . |
4 |  روی ایجاد انتخاب کلیک کنید . |
5 | در کادر محاوره ای Create Selection ، در قسمت متن Selection name، Air را تایپ کنید . |
6 | روی OK کلیک کنید . |
سیلیکون (mat2)
1 | در پنجره Model Builder ، روی Silicon (mat2) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مواد ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، IC را انتخاب کنید . |
FR4 (برد مدار) (mat3)
1 | در پنجره Model Builder ، روی FR4 (Circuit Board) (mat3) کلیک کنید . |
2 | فقط دامنه 6 را انتخاب کنید. |
جریان آرام (SPF)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Laminar Flow (spf) کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for Laminar Flow ، بخش Domain Selection را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، هوا را انتخاب کنید . |
4 | بخش Physical Model را پیدا کنید . چک باکس Include gravity را انتخاب کنید . |
باز کردن مرز 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Open Boundary را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرزهای 3 و 4 را انتخاب کنید. |
تقارن 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Symmetry را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرزهای 1 و 34 را انتخاب کنید. |
انتقال حرارت در جامدات و سیالات (HT)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی انتقال حرارت در جامدات و سیالات (ht) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای انتقال حرارت در جامدات و سیالات ، بخش Physical Model را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن T ref ، T0 را تایپ کنید . |
مایع 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)>Heat Transfer in Solids and Fluids (ht) روی Fluid 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Fluid ، بخش انتخاب دامنه را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، هوا را انتخاب کنید . |
منبع حرارت 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Domains کلیک کنید و منبع حرارت را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای منبع گرما ، بخش انتخاب دامنه را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، IC را انتخاب کنید . |
4 | قسمت منبع حرارت را پیدا کنید . در قسمت متنی Q 0 ، q_source را تایپ کنید . |
مقادیر اولیه 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی مقادیر اولیه 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مقادیر اولیه ، قسمت مقادیر اولیه را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن T ، T0 را تایپ کنید . |
باز کردن مرز 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Open Boundary را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرزهای 3 و 4 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای Open Boundary ، بخش Upstream Properties را پیدا کنید . |
4 | در قسمت متن T ustr ، T0 را تایپ کنید . |
شرایط دوره ای 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Periodic Condition را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرزهای 2 و 29 را انتخاب کنید. |
مش 1
در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Mesh 1 کلیک راست کرده و Build All را انتخاب کنید .
مطالعه 1
در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی محاسبه کلیک کنید .
روی محاسبه کلیک کنید .نتایج
دما (ht)
این نمودار پیش فرض توزیع دما را روی سطوح نشان می دهد. برای بازتولید شکل 3 ، این گروه نمودار را به صورت زیر تغییر دهید.
سطح
1 | در پنجره Model Builder ، گره Temperature (ht) را گسترش دهید . |
2 | روی Results>Temperature (ht)>Surface کلیک راست کرده و Delete را انتخاب کنید . |
3 | برای تایید روی Yes کلیک کنید . |
دما (ht)
در پنجره Model Builder ، در قسمت Results روی دما (ht) کلیک کنید .
چند برش 1
1 | در نوار ابزار دما (ht) ، روی  More Plots کلیک کنید و Multislice را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Multislice ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش Expression کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Heat Transfer in Solids and Fluids>Temperature>T – Temperature – K را انتخاب کنید . |
3 | بخش Multiplane Data را پیدا کنید . زیربخش y-planes را پیدا کنید . در قسمت متن Planes عدد 0 را تایپ کنید . |
4 | زیربخش z-planes را پیدا کنید . در قسمت متن Planes ، 8 را تایپ کنید . |
5 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید .  روی تغییر جدول رنگ کلیک کنید . |
6 | در کادر محاوره ای Color Table ، Thermal>HeatCameraLight را در درخت انتخاب کنید. |
7 | روی OK کلیک کنید . |
8 | در نوار ابزار دما (ht) ، روی  Plot کلیک کنید . |
سرعت (spf)
این گروه نمودار پیش فرض، بزرگی سرعت را بر روی برش ها نشان می دهد.
این گروه نمودار را برای بازتولید شکل 4 تغییر دهید .
تکه
1 | در پنجره Model Builder ، گره Velocity (spf) را گسترش دهید . |
2 | روی Results>Velocity (spf)>Slice کلیک راست کرده و Delete را انتخاب کنید . |
3 | برای تایید روی Yes کلیک کنید . |
سرعت (spf)
در پنجره Model Builder ، در قسمت Results روی Velocity (spf) کلیک کنید .
چند برش 1
1 | در نوار ابزار Velocity (spf) ، روی  More Plots کلیک کنید و Multislice را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Multislice ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش Expression کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Laminar Flow>Velocity and Press>spf.U – Velocity magnitude – m/s را انتخاب کنید . |
3 | بخش Multiplane Data را پیدا کنید . زیربخش y-planes را پیدا کنید . در قسمت متن Planes عدد 0 را تایپ کنید . |
4 | زیربخش z-planes را پیدا کنید . در قسمت متن Planes ، 8 را تایپ کنید . |
سرعت (spf)
در پنجره Model Builder ، روی Velocity (spf) کلیک کنید .
فلش جلد 1
1 | در نوار ابزار Velocity (spf) ، روی حجم  پیکان کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای حجم پیکان ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش Expression کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Linar Flow>Velocity and Press>u,v,w – فیلد سرعت را انتخاب کنید . |
3 | قسمت تعیین موقعیت پیکان را پیدا کنید . زیربخش نقاط شبکه ای x را پیدا کنید . در قسمت متنی Points ، 5 را تایپ کنید . |
4 | زیربخش نقاط شبکه ای y را پیدا کنید . در قسمت متنی Points ، 5 را تایپ کنید . |
5 | زیربخش نقاط شبکه z را پیدا کنید . در قسمت متنی Points ، عدد 8 را تایپ کنید . |
6 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . از لیست رنگ ، سیاه را انتخاب کنید . |
7 | در نوار ابزار Velocity (spf) ، روی  Plot کلیک کنید . |
